Han ledsaget i 1882 som lege og naturforsker den tyske sydpolsekspedisjonen til Sør-Georgia.
Deretter foretok han en ferd gjennom Brasil langs floden Xingú. En andre reise gjennom samme trakter (midtre Brasil) foretok han 1887-88 sammen med blant andre Paul Ehrenreich, en ferd som ble av stor betydning for kunnskapen om Brasils etnografi.
Marquesas
Han skulle senere vende tilbake til Stillehavet - i 1897–1898 var han på ekspedisjon til Marquesasøyene. Dit kom han med seilskip fra San Francisco. Hjemreise førte så om Tahiti, Rarotonga, Auckland, Apia og Honolulu og tilbake til San Francisco.[5] I årene før og etter Marquesasreisen samlet europeerer på artefakter og kunstgjenstander fra hele verden, og eksporterte mye videre til samlere og museer annetsteds også. Slik var kulturgjenstander som spyd, statuer, treskjærerarbeider og så videre ettertraktet i privatsamlinger og museer. På grunn av et forbud gitt av den franske kolonimakt og støttet av misjonærer var det i lange perioder forbudt med tatoveringer, danser, sanger og tromming som var knyttet opp i hedenske religion.
Karl von den Steinen fattet imidlertid srerk interesse for de eldre øybeboeres tatoveringer, som også kunne dekke huden fra hode til for, og han fant ut av bakgrunnen for motivvalgene. I den forbindelse sfikk han også folk til å utlegge de gamle legender, ritualer og myter. Etter reisen arbeidet han i mer enn tyve år med sitt trebinds mesterverk Die Marquesaner und ihre Kunst, hvis siste bind utkom i 1928. Karl von den Steinens nedtegnelser ble en inpuls som var med på å gjenopplive ttatoveringskunsten på øyene; og det er takket være ham att ikke bare forskere, men også moderne marquesanere, har mye av sin kunnskap om de gamle skikker i så måte.
Durch Zentral-Brasilien. Expedition zur Erforschung des Schingú (1886)
Zweite Schingúexpedition 1887-88. Die Bakairisprache (1892)
Unter den Naturvölkern Zentralbrasiliens (1894; andre opplag 1897)
Rudolf Virchow und die Anthropologische Gesellschaft. 1921
Die Marquesaner und ihre Kunst: Studien über die Entwicklung primitiver Südseeornamentik nach eigenen Reiseergebnissen und dem Material der Museen. 3 Bände, Reimer, Berlin 1925–1928; Reprint: N.Y. 1969; Reprint: Fines Mundi, Saarbrücken 2006 (Digitalisate von Bd. 1 und 2 (Bodleian Libraries).Arkivert 23. desember 2015 hos Wayback Machine.), Band 2
Band 1 Tatauierung: mit einer Geschichte der Inselgruppe und einer vergleichenden Einleitung über den polynesischen Brauch. 1925
Band 2 Plastik: mit einer Einleitung über die „Materielle Kultur“ und einem Anhang „Ethnographische Ergänzungen“. 1928